JP2016031050A

JP2016031050A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2016031050A
Application number: JP2014153841A
Authority: JP
Inventors: 大輔中川; Daisuke Nakagawa
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2016-03-07

Abstract

【課題】始動時における運転安定性を確保しつつ排気浄化性能を向上させる。【解決手段】直列４気筒のエンジン１の排気管２０に設けられ、排気中の燃料に反応して昇温する機能を有する三元触媒３０と、エンジン１の各気筒の燃料噴射弁６ａ〜６ｄを制御して、各気筒の空燃比を独立して制御するＥＣＵ４０と、を備えたエンジン１の排気浄化装置であって、ＥＣＵ４０は、エンジン１の始動の際に、エンジン１の４つの気筒のうちの２番気筒の空燃比を排気中に未燃燃料が排出されるオーバーリッチとし、２番気筒以外の気筒の空燃比をスライトリーンにする。【選択図】図１

Description

本発明は、空燃比を制御して行う内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気浄化装置として、例えば三元触媒が多く用いられている。三元触媒は、流入する排気の空燃比がストイキ付近の限られた範囲である場合において、排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯx）の全てを浄化する機能を有する。
また、三元触媒は、酸素を吸蔵する酸素ストレージ機能を有しており、排気空燃比がリーンであるときに酸素を吸蔵して窒素酸化物を抑え、一方排気空燃比がリッチであるときには、上記吸蔵した酸素を放出して炭化水素、一酸化炭素の酸化促進を図り、排気浄化性能を向上させることが可能である。

このようなことから、近年では、例えば内燃機関の燃焼室内の空燃比を、所定空燃比（例えば、理論空燃比）を挟み一定期間毎に所定の振幅でリーン空燃比とリッチ空燃比とに切り換えることで、排気空燃比をリーン空燃比とリッチ空燃比とに強制的に変調させ、三元触媒コンバータの排気浄化性能向上を図った自動車が開発され、実用化されている。また、強制変調を実施する際、特に強制変調の振幅が大きいほど排気浄化性能が向上することも知られている（特許文献１）。

特開２００９−６２８４１号公報

しかしながら、特許文献１では、リッチ時間及びリーン時間の時間による制御を行うことで、排気浄化性能を向上させることができるものの、例えば始動時のようにエンジンが低温状態では、空燃比を変動させると運転の安定性が確保できない虞がある。
また、始動時では触媒温度が低下している場合が多いので、触媒温度の迅速な上昇が要求される。始動時に空燃比をリッチにすることで、運転の安定性を確保しつつ触媒を昇温させることは可能であるものの、ＨＣやＣＯの浄化性能が低下してしまうといった問題点がある。

本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、
始動時において運転の安定性を確保しつつ排気浄化性能を向上させる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置は、複数の気筒を有する内燃機関の排気通路に設けられた三元触媒と、前記内燃機関の各気筒への燃料供給量を独立して制御して、各気筒の空燃比を制御する空燃比制御部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、前記空燃比制御部は、前記内燃機関の始動の際に、前記複数の気筒のうち空燃比を排気中に未燃燃料が排出されるようにリッチにするリッチ気筒と、前記複数の気筒のうち前記リッチ気筒以外の気筒の空燃比をリーンにするリーン気筒とを有し、前記複数の気筒のうち前記リーン気筒が前記リッチ気筒より多いことを特徴とする。

また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１において、前記空燃比制御部は、前記内燃機関の始動の際に、更に前記複数の気筒の総合空燃比を理論空燃比とすることを特徴とする。
また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１または２において、前記リッチ気筒以外の気筒は複数個であることを特徴とする。

また、請求項４の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から３のいずれか１項において、前記内燃機関は直列４気筒であって、前記リッチ気筒が前記４気筒のうちいずれか１つの気筒であることを特徴とする。
また、請求項５の内燃機関の排気浄化装置は、請求項４において、前記リッチ気筒が、内側に配置された２番気筒または３番気筒であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、複数の気筒のうちのリッチ気筒から排出された余剰燃料が排気通路内で酸化反応し三元触媒を昇温させることができる。これにより、冷態始動時のように三元触媒の温度が低下しているときに触媒温度を迅速に上昇させ排気浄化性能を向上させることができる。
また、リッチ気筒より多い気筒をリーン気筒とすることで、三元触媒にて排気中のＨＣやＣＯを浄化させることができるとともに、当該リーン気筒を理論空燃比に近いリーンとして内燃機関の運転の安定性を確保することができる。

これにより、始動時において内燃機関の運転の安定性を確保しつつ、触媒温度を迅速に上昇させ排気浄化性能を向上させることができる。
請求項２の発明によれば、複数の気筒の総合空燃比を理論空燃比とすることで、燃料の不足や無駄な消費を抑え、効率のよい運転を図ることができる。
請求項３の発明によれば、リッチ気筒以外の気筒が複数であって、リッチ気筒よりもリーン気筒が多いので、リッチ気筒での空燃比を大きくリッチとした上でリーン気筒の空燃比を小さいリーンとして、三元触媒の温度を十分に上昇させるとともに排気中のＨＣやＣＯの浄化性能を確保することができ、始動時における内燃機関の運転の安定性の確保と排気浄化性能の向上を両立させることができる。

請求項４の発明によれば、リッチ気筒が、直列４気筒のいずれか１つの気筒であるので、直列４気筒の内燃機関の始動時において、内燃機関の運転の安定性を確保しつつ、触媒温度を迅速に上昇させ排気浄化性能を向上させることができる。
請求項５の発明によれば、リッチ気筒が、直列４気筒の内側に配置された２番気筒または３番気筒であるので、冷態始動時においてリッチ気筒からの排気温度を迅速に高めて三元触媒の温度を上昇させ、始動時における排気浄化性能をより向上させることができる。

車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。本発明の実施形態に係るエンジン始動時のリッチ、リーン制御の実行判定要領を示すフローチャートである。各気筒の設定空燃比に対する排気浄化性能のデータ例を示す表である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
本実施形態に係る内排気浄化装置を搭載したエンジン１(内燃機関)は直列４気筒である。なお、図１では、１つの気筒の内部構成が示されており、他の気筒も同様の構造であり、４個の気筒が直列に配置されている。

図１に示すように、本実施形態に係るエンジン１は、吸気管噴射型（Multi Point Injection：ＭＰＩ）ガソリンエンジンである。
エンジン１のシリンダヘッド２には、気筒毎に点火プラグ４が取り付けられており、点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。
シリンダヘッド２には、気筒毎に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。吸気マニホールド１０には、電磁式の燃料噴射弁６（６ａ〜６ｄ）が取り付けられており、燃料噴射弁６（６ａ〜６ｄ）には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。燃料噴射弁６（６ａ〜６ｄ）は、各気筒の吸気ポート毎に設けられており、各気筒に流入する吸気に対して独立して燃料を供給可能となっている。

吸気マニホールド１０の燃料噴射弁６ａ〜６ｄよりも上流側には、吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４が設けられており、併せてスロットル弁１４の弁開度を検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１６が設けられている。さらに、スロットル弁１４の上流には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１８が介装されている。
また、シリンダヘッド２には、気筒毎に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。

なお、当該ＭＰＩエンジンは公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
排気マニホールド１２の他端には排気管２０（排気通路）が接続されており、当該排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒３０が介装されている。
この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）のいずれかを有している。セリウム（Ｃｅ）、ジルコニア（Ｚｒ）等の酸素吸蔵材を含む場合の他、当該酸素吸蔵材を含まない場合においても、活性貴金属は、酸素吸蔵機能（Ｏ₂ストレージ機能）を有しており、故に、三元触媒３０は、排気空燃比（排気Ａ／Ｆ）がリーン空燃比（リーンＡ／Ｆ）である酸化雰囲気中において酸素（Ｏ₂）を吸着すると、排気Ａ／Ｆがリッチ空燃比（リッチＡ／Ｆ）となり還元雰囲気となるまでそのＯ₂をストレージＯ₂として保持し、当該ストレージＯ₂により、還元雰囲気状態においてもＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化除去可能である。即ち、当該三元触媒３０は、酸化雰囲気でＨＣ、ＣＯを浄化できるのは勿論のことＮＯxの発生をもある程度抑え、還元雰囲気中においてＮＯxの浄化のみならず吸蔵されたＯ₂によりＨＣ、ＣＯをもある程度浄化可能である。

排気管２０の三元触媒３０よりも上流側には、排気中の酸素濃度を検出するＯ₂センサ（酸素センサ）２２が配設されている。
ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット、空燃比制御部）４０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えており、当該ＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた排気浄化装置の総合的な制御が行われる。

ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１６、エアフローセンサ１８、Ｏ₂センサ２２の他、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ４２、エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ４３等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。なお、クランク角センサ４２からのクランク角情報に基づいてエンジン回転速度Ｎeが検出される。

一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の各気筒の燃料噴射弁６及び点火コイル８、スロットル弁１４等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力される。詳しくは、各種センサ類からの検出情報に基づき空燃比が適正な目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）に設定され、当該目標Ａ／Ｆに応じた量の燃料が適正なタイミングで燃料噴射弁６から噴射され、またスロットル弁１４が適正な開度に調整され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。

特に、本実施形態では、ＥＣＵ４０は、各気筒の燃料噴射弁６ａ〜６ｄからの燃料噴射量を制御して、各気筒の空燃比を異なる値に設定可能となっている。
そして、ＥＣＵ４０は、エンジン始動直後の所定期間において、リッチリーン制御を行う。
本実施形態におけるリッチリーン制御は、エンジン１の４つの気筒のうち、１つの気筒（リッチ気筒）の空燃比のみ当該気筒から未燃燃料が排出されるようなオーバーリッチとし、残りの３つの気筒（リーン気筒）が失火しないようにその空燃比をオーバーリーンとならないリーン（スライトリーン）とする。

図２は、エンジン始動時のリッチリーン制御の実行判定制御要領を示すフローチャートである。
本実行判定制御は、車両のキースイッチや始動スイッチ等によって、エンジン１の始動指示がなされた場合に、実行を開始する。
図２に示すように、始めにステップＳ１０では、リッチリーン制御による触媒の昇温の要判定を行う。詳しくは、水温センサ４３からエンジン水温Ｔwを入力し、所定値Ｔ1未満であるか否かによって判別する。エンジン水温Ｔwが所定値Ｔ1未満である場合には、ステップＳ２０に進む。エンジン水温Ｔwが所定値Ｔ1以上である場合には、ステップＳ７０に進む。なお、所定値Ｔ1は、例えば三元触媒３０の排気浄化性能が確保される程度に触媒温度が上昇していることが推定されるようなエンジン１の冷却水温度に設定すればよい。

ステップＳ２０では、三元触媒３０の昇温を要と判定する。そして、ステップＳ３０に進む。
ステップＳ３０では、エンジン１を始動させる。そして、ステップＳ４０に進む。
ステップＳ４０では、エンジン始動直後期間完了したか否かを判別する。エンジン始動直後期間は、エンジン１が始動してから回転が安定するまでの期間であって、例えばエンジン１の回転速度が６００rpm以上で１sec以上継続した場合に、エンジン始動直後期間完了したと判定し、エンジンの回転速度が６００rpm以上で１sec以上継続していない場合には、エンジン始動直後期間完了していないと判定する。そして、エンジン始動直後期間完了した場合にはステップＳ５０に進み、エンジン始動直後期間完了していない場合にはステップＳ４０に戻る。

ステップＳ５０では、上記のリッチリーン制御を実行開始する。そして、ステップＳ６０に進む。
ステップＳ６０では、リッチリーン制御終了条件が成立したか否かを判別する。リッチリーン制御終了条件は、例えば、リッチリーン制御が開始してから２０秒以上経過した場合、エンジン１の回転速度が所定以上変動している場合（エンジンの運転が安定していない場合）、三元触媒３０の触媒温度が所定以上となった場合、車両が走行を開始した場合等である。これらの条件のいずれか１つ、あるいは複数組み合わせてもよく、また他のリッチリーン制御を終了させる条件でもよい。リッチリーン制御終了条件が成立した場合には、ステップＳ８０に進む。リッチリーン制御終了条件が成立していない場合には、ステップＳ６０に戻る。

ステップＳ７０では、エンジン１を始動させる。そして、ステップＳ８０に進む。
ステップＳ８０では、通常制御、即ちエンジン１の全ての気筒で同一の空燃比とする制御を行う。そして、本ルーチンを終了する。
図３は各気筒の設定空燃比に対する排気浄化性能を比較した表である。
図３は、本実施形態のような４気筒のエンジン１において、各気筒の空燃比を各種設定して、そのときの排気浄化性能を検出して比較したものの一例である。

図３中において、ＢＡＳＥは、通常制御、即ち全気筒の空燃比を同一にした場合であり、ＢＡＳＥの空燃比を理論空燃比（＝１）として、他のサンプルＡ〜Ｄについて空燃比の比率（空燃比率）を記載している。排気浄化性能としては、ＮＭＨＣ（非メタン炭化水素）、ＮＯＸ（窒素酸化物）、ＣＯ（一酸化炭素）の各排出量を指標として記載している。
なお、図３において空燃比率が１より大きい場合にはリッチ、１より小さい場合にはリーンを示す。また、１より１５パーセント以上（１．１５以上）でオーバーリッチ、１より５パーセント以下（０．９５以下）でオーバーリーンである。即ち、例えば理論空燃比（ストイキ）を１４．７とした場合、１４.７×０．８５＝１２．４９５以下でオーバーリッチ、空燃比１４．７×１．０５＝１５．４３５以上でオーバーリーンである。

また、１番気筒及び４番気筒は、エンジン１の直列に並んだ４つの気筒のうちの外側の気筒であり、２番気筒及び３番気筒は内側の気筒である。
サンプルＡは、例えば２番気筒の空燃比率を１．２２５、即ち空燃比を理論空燃比に対し２２．５％リッチ側である高めのオーバーリッチとして、他の気筒の空燃比率を１２．５％リーン側である０．８７５、即ちオーバーリーンとしたものである。各気筒から排出される排気の合計を気筒数で割って平均化した（エンジン１の総合）空燃比率は０．９６３でややリーンとなっている。

サンプルＢは、２番気筒の空燃比率を約１６．５％リッチ側である１．１６４、即ち低めのオーバーリッチとして、他の気筒の空燃比率を５．５％リーンである０．９４５、即ちオーバーリーンではないリーンであるスライトリーンとしたものである。エンジン１の総合の空燃比率は約１で理論空燃比（ストイキ）である。
サンプルＣは、３番気筒及び４番気筒の空燃比率を約５％リッチ側である１．０５０、即ちオーバーリッチではないリッチ、他の気筒の空燃比率を５％リーン側である０．９５０、即ち若干リーンとしたものである。エンジン１の総合の空燃比率は１でストイキである。

サンプルＤは、２番気筒の空燃比率を１０％リッチ側である１．１、即ちオーバーリッチではないリッチとし、他の気筒の空燃比率を１、即ちストイキとする。従って、エンジン１の総合の空燃比率は１．０２５となりややリッチとなる。
そして、ＢＡＳＥに対し、サンプルＡ〜Ｄの排気浄化性能を比較すると、ＮＭＨＣ及びＣＯについては、全てのサンプルがＢＡＳＥよりも数値が低下し浄化性能が向上している。特に、ＣＯについてはサンプルＡ及びＢが大幅に低下し、ＮＭＨＣについては、サンプルＢが大幅に低下している。

なお、ＮＯxについては、サンプルＡ及びＢがＢＡＳＥを上回っているが、サンプルＢの方がサンプルＡより排出量が少ない。
また、ＢＡＳＥとサンプルＡ〜Ｄの始動後における三元触媒の温度変化を確認したところ、ＢＡＳＥとサンプルＣ、サンプルＤの温度上昇は略同じであったが、サンプルＢはＢＡＳＥよりも温度上昇が早く、サンプルＡは更に温度上昇が早い傾向であった。

これは、オーバーリッチの度合いが強い程、２番気筒から未燃燃料が多く排出され、それまでの他の気筒から排出されたリーンとなっている排気中の多くの酸素と反応して効率よく排気温度が上昇するためである。
但し、サンプルＡでは、空燃比がストイキから大きく外れて始動直後に失火をしてしまった。

以上から、始動時において運転安定性を確保しつつ特にＮＭＨＣ及びＣＯの排気浄化性能を向上させるには、サンプルＢが最も適している。
本実施形態では、始動時に行うリッチリーン制御において、サンプルＢのように、１つの気筒（２番気筒）をオーバーリッチにして、他の３つの気筒をスライトリーンにする。
このように、気筒毎に空燃比を制御することで、３つの気筒のリーン化によりＨＣ及びＣＯ低減効果を得ることができる。このとき、これらの３つの気筒をスライトリーンにすることで、失火を防止して、運転の安定性を確保することができる。

更に、１つの気筒をオーバーリッチとすることで、排気通路で余剰燃料が酸化反応して排気が昇温し、三元触媒３０を昇温させることができる。
更に、総合空燃比をストイキにすることで、安定した運転を確保しながら、余剰燃料の過剰な排出を抑え、触媒溶損を抑制するとともに、無駄な燃料消費を抑えて始動時における燃費の向上を図ることができる。

また、３つの気筒をリーンにして１つの気筒をリッチにすることでは、３つの気筒をオーバーリーンにしなくとも総合空燃比をストイキにした上で、１つの気筒を十分にオーバーリッチにすることができ、触媒昇温機能と運転の安定性とを両立させることができる。
また、本実施形態では、４つの気筒のうちオーバーリッチにする気筒を２番気筒にしている。２番気筒は、直列に並んだ４つの気筒のうちの内側に配置されているため、外側の気筒より始動時における温度上昇が早いので、運転をすぐに安定させることができる。オーバーリッチを内側の３番気筒にしても同様の効果を得ることができる。

更に、始動時に２番気筒をオーバーリッチにする際に、始動直後から一度にオーバーリッチにするのではなく、例えば空燃比を５％、１０％というように段階的に低下させリッチ度合いを徐々に増加させるように制御してもよい。この場合、２番気筒のリッチ度合いが抑えられるとともに他の気筒の空燃比のリーン度合いも抑えられることで、特に始動直後では全ての気筒をストイキに近い状態に抑えて、燃焼安定性を向上させることができる。

なお、本願発明は上記実施形態に限定するものではない。例えばオーバーリッチを内側の２番気筒と３番気筒とで切換えるように制御してもよい。また、４つの気筒のうち始動時にオーバーリッチにする気筒を２番気筒あるいは３番気筒以外の気筒にしてもよい。また、直列４気筒でなくとも、気筒が複数ある内燃機関であれば本願発明を広く適用することが可能である。特にＶ型６気筒の場合であれば、各バンクにある３つの気筒のうちそれぞれ１つずつの気筒をリッチにしてもよいし、６気筒中の一つの気筒のみをリッチとしてもよい。

１エンジン（内燃機関）
６ａ〜６ｄ燃料噴射弁
１２排気管（排気通路）
３０三元触媒
４０ＥＣＵ（空燃比制御部）

Claims

複数の気筒を有する内燃機関の排気通路に設けられた三元触媒と、
前記内燃機関の各気筒への燃料供給量を独立して制御して、各気筒の空燃比を制御する空燃比制御部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記空燃比制御部は、前記内燃機関の始動の際に、前記複数の気筒のうちの空燃比を排気中に未燃燃料が排出されるようにリッチにするリッチ気筒と、前記複数の気筒のうちの前記リッチ気筒以外の空燃比をリーンにするリーン気筒とを有し、
前記複数の気筒のうち前記リーン気筒が前記リッチ気筒より多いことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記空燃比制御部は、前記内燃機関の始動の際に、更に前記複数の気筒の総合空燃比を理論空燃比とすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記リッチ気筒以外の気筒は複数個であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記内燃機関は直列４気筒であって、
前記リッチ気筒が前記４気筒のうちいずれか１つの気筒であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記リッチ気筒が、内側に配置された２番気筒または３番気筒であることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。